Reklama

Pondělí 24. června 2024, svátek má Jan, venku je 23.6 °C

UPOZORNĚNÍ: Tento příspěvek je starší než 6 měsíců.
Níže uvedené informace mohou být zastaralé či neplatné!

Pavel Banáš: Jsme dál, než jsme čekali, říká ředitel výzkumného centra CATRIN

ROZHOVOR

24.4.2023

Jan Procházka

Vyvíjejí tu nové materiály, které mohou znamenat revoluci v ukládání energie, metody, které výrazně sníží ekologickou zátěž farmaceutického průmyslu i ječmen, který obsahuje lidský peptid. Špičkový vysokoškolský ústav CATRIN je podle slov svého ředitele Pavla Banáše za dva roky existence dál, než se čekalo. A to i díky vědcům se světovým renomé, kteří v něm pracují. Mnohé výzkumy slibují fantastické výsledky a jejich uvedení do praxe přitom je v horizontu nemnoha let.

Fyzika ani chemie nepatří na základní škole mezi oblíbené předměty, vy jste se o ně ale zajímal od dětství. Jak jste k nim objevil vztah?
Zpočátku jsem se více zajímal o chemii, protože ji máme v rodině tak trochu v genech. Oba moji rodiče totiž studovali analytickou chemii na Univerzitě Palackého a byli jedni z prvních absolventů tohoto oboru v Olomouci. U dědy jsme zase měli po tatínkovi malou laboratoř, takže bylo hodně lehké se do chemie zamilovat.

Zájem o fyziku přišel až později, na gymnáziu. Tehdy jsem se začal zajímat o teorii relativity a kvantovou fyziku, hltal jsem knížky o fyzice napříkla od profesora Grygara. Když jsem pak v Olomouci začal studovat analytickou chemii, přirozeně jsem se rozhodl, že si k ní musím přibrat od druhého ročníku ještě i fyziku. Vystudoval jsem je nakonec souběžně.

A stal se z vás fyzikální chemik
Ano. Mám vystudovanou analytickou chemii a vedle toho aplikovanou fyziku a na doktorátu se oba obory propojily, když jsem se rozhodl pokračovat v oboru fyzikální chemie, ve kterém působím dodnes.

Co si pod tím spojením oborů může laik představit?
Když to zjednoduším: Různé obory chemie vás provedou různými částmi této vědy, jako je anorganická chemie, organická chemie nebo biochemie. Fyzikální chemie stojí průřezově tak trochu stranou a zabývá se otázkou, proč se chemické reakce dějí tak, jak se dějí. I proto jsem si ten obor zvolil; měl jsem tendenci se ve všem pitvat, zjišťovat, jak co funguje a jak se s tím dá pracovat…

Vaší specializací je teoretické studium struktury a dynamiky nukleových kyselin a vývoj teoretických metod pro popis konformačního chování biomolekul. To bych asi potřeboval přeložit.
Tato oblast spadá do teoretické chemie, kterou do Olomouce přinesl profesor Otyepka a od té doby se tu velmi pěkně rozvinula. Já jsem jako student začínal pracovat právě u něj. V podstatě se zabýváme simulacemi molekul. Studujeme, jak se chovají, jak jsou reaktivní, kde při reakci vznikají nové vazby a jak zanikají ty staré.

Pro popis chemických reakcí používáme nástroje kvantové chemie, které vycházejí z poznatků kvantové fyziky. Pro větší systémy, kde kvantovou chemii už nelze prakticky použít, protože jsou výsledné rovnice buď „neupočitatelné“ nebo příliš složité, molekulovou dynamiku. V ní jsou zjednodušeně atomy nahrazeny kuličkami a vazby pružinkami a studujeme, jak se molekuly v čase pohybují a mění. Tyto metody lze aplikovat i na velmi velké biomolekuly, např. na nukleové kyseliny, jako je DNA a zejména RNA, na kterou se v naší práci zaměřujeme.

Můžete to přiblížit?
Máme dvě hlavní oblasti zájmu: vývoj metod pro simulaci nukleových kyselin a jejich aplikaci při studiu nekódující RNA. Na vysvětlenou: člověk má ve své genetické informaci asi jedno až dvě procenta DNA, která kóduje nějaké proteiny. Když se říká, že má člověk něco v genech, bavíme se právě o těchto úsecích. Je to ale jen malá část lidského genomu. O tom zbytku se dříve moc nevědělo, dokonce se mu říkalo “junk DNA” – DNA haraburdí, protože se vědci domnívali, že je to jen jakési smetí. Teď se ale ukazuje, že většina má nějakou úlohu.

Jakou?
Mnohdy regulační, často třeba vypínání a zapínání některých genů. Naším posledním projektem se stal výzkum riboswitchů – úseků v RNA molekulách, které slouží jako senzory uvnitř buněk pro různé nízkomolekulární látky a umožňují tak buňkám reagovat na změny v prostředí. Zkoumáme mechanismus, jakým riboswitche dokáží tyto látky rozpoznat a přenášet informaci o jejich přítomnosti do procesů regulujících přepis genetické informace a syntézu proteinů, která na základě této genetické informace v buňkách probíhá.

Doc. Mgr. Pavel Banáš, Ph.D., (*1980) je absolventem oboru Analytická chemie a oboru Aplikovaná fyzika se zaměřením na přístrojovou fyziku a metrologii na Přírodovědecké fakultě Univerzity Palackého. Tam také v roce 2009 získal doktorát v oboru Fyzikální chemie a v roce 2013 v tomtéž oboru habilitoval. Do roku 2020 působil jako docent na katedře Fyzikální chemie a v Regionálním centru pokročilých technologií a materiálů na Přírodovědecké fakultě Univerzity Palackého v Olomouci. V letech 2019 a 2020 byl prorektorem pro strategii vědy a výzkumu. Od 1. ledna 2021 působí jako ředitel Českého institutu výzkumu a pokročilých technologií (CATRIN).

Foto: Jan Procházka

Když vás poslouchám, napadá mě abstraktní otázka: Myslíte si, že jednou v budoucnosti porozumíme v lidském těle úplně všemu? Přijde mi, že vždycky, když si myslíme, že jsme hodně daleko k pochopení, objevíte vy vědci úplně novou neprobádanou oblast…
K tomu, abychom pochopili všechno, jsme opravdu ještě daleko. Přesto nedávné pokroky v lidském poznání jsou obrovské. Dalo by se to ilustrovat na nedávné pandemii. Nový virus, původce nemoci Covid-19, a jeho sekvence byly známy ani ne po měsíci od prvních případů této choroby. Najít strukturu proteinů tohoto viru trvalo jen dalších pár měsíců. Věda zafungovala úžasně. Jen pro porovnání, u viru HIV v 80. letech to trvalo roky. A tady přišel paradox: znali jsme perfektně nepřítele, ale stále neznáme dostatečně náš vlastní organismus, abychom mohli dostatečně přesně říci, co bude virus v těle dělat, jak se bude chovat a jaké budou dopady na populaci.

Zpět k vaší otázce: Asi se to jednou podaří, ale doufám, že se tím objeví mnohonásobně více dalších otázek. Byla by škoda vědět úplně všechno. A myslím si a doufám, že to ani principiálně nejde. Nejspíš jednou zmapujeme všechny buňky, jejich vnitřní strukturu, všechny procesy, které v nich probíhají, ale pochopit celý svět, to není v lidských silách.

Jste nejen vědcem, ale i ředitelem vysokoškolského ústavu CATRIN. Mluví se o něm hodně, přesto vás poprosím, ať ho nejprve představíte…
CATRIN je vysokoškolský ústav, ze své podstaty zaměřený na špičkovou vědu a výzkum. Stojí na třech pilířích: výzkumu nových nanomateriálů, biotechnologickém výzkumu, přesahujícím do rostlinného a zemědělského výzkumu, a biomedicínském výzkumu. Síla CATRIN je v široké interdisciplinaritě: mnohé nově vyvinuté materiály mají aplikaci v medicíně, přesah do energetiky…

Zabýváme se výzvami současnosti, jako je ochrana životního prostředí. Potřebujeme nové suroviny, protože mnoho těch současných nám dochází. S tím souvisí potřeba najít nové materiály, zdroje energie a technologie, které zajistí udržitelnost. Tímto směrem jde mnoho výzkumů v CATRIN. Za dva roky už jsme dosáhli značných úspěchů.

Ústav má poměrně velké procento zahraničních vědců, některá jména navíc patří mezi světové špičky ve svých oborech. Jak je sem lákáte?
To jste narazil na největší benefit CATRIN. Je tu obrovské zázemí špičkových vědců. Funguje to trochu na principu sněhové koule. Skvělí vědci s opravdu světovým renomé přitáhnou talentované juniorní vědce, doktorandy, postdoky… Těmto lidem je celkem jedno, jestli jdou do Česka nebo do Španělska či někam jinam do světa. Jdou za tématem, chtějí posouvat svou kariéru. A u nás se mohou dostat právě do takového výzkumu, který je světově unikátní a pohybuje se na samé hranici lidského poznání. Tady je třeba říci, že na této praxi byla založena už výzkumná centra, z nichž později CATRIN vznikla. A my to dále rozvíjíme.

Rozumím principu sněhové koule, ale jak se podaří nalákat právě ty špičkové vědce, kteří sem natáhnou ty ostatní?
Jednou z cest jsou speciální grantové projekty, které mají právě tohle poslání: přilákat špičkové zahraniční vědce a kolem nich vystavět výzkumnou skupinu. Nám se tímto způsobem podařilo získat například profesora Alexandera Dömlinga z University of Groningen, který působil na mnoha špičkových pracovištích na světě, prošel i laboratoří dvojitého nobelisty Barry Sharplesse. Je to organický chemik, který se věnuje testování organických chemických látek ve velkém měřítku. Jsou schopni denně syntetizovat tisíce látek a ty otestovat. To je nesmírně důležité pro medicinální výzkum a budeme rozvíjet i propojení na zemědělský výzkum. Zároveň je tu i silný překryv v oblasti materiálového výzkumu. Tím se prohloubí synergie mezi našimi obory.

Když CATRIN vznikla, zaznívalo, že máte ambice být tím nejlepším vědeckým centrem ve střední Evropě. Jste tomu blíž?
Bezesporu. Když si zrekapituluji ambice a představy v době, kdy se CATRIN zakládala, a porovnám je s úspěchy jen za ty první dva roky, musím říct, že jsme mnohem dál, než jsme čekali. Věci, u kterých jsme odhadovali, že budou trvat i pět let, se podařily hned v prvním roce. Je to dané lidským potenciálem, entusiasmem, dávkou vizionářství a samozřejmě hlavně tvrdou prací.

Tak pojďme vyzdvihnout nějaké úspěšné projekty!
Na prvním místě je to asi celý řetězec výzkumů a úspěchů profesora Otyepky. Ten už v roce 2014 získal prestižní evropský grant na podporu špičkových vědců s inovativní myšlenkou. To je grantový program podporující ty nejlepší vědecké nápady, kde se sice počítá i s tím, že to nemusí vyjít, ale nápad samotný je natolik chytrý a potenciálně přínosný, že to určitě stojí za zkoušku a tudíž i za podporu. A profesor Otyepka tu díky tomuto grantu a samozřejmě dalším navazujícím postavil prakticky celý nový obor: grafenovou chemii.

Opět asi budeme potřebovat překlad.
Ze středoškolské chemie určitě znáte grafit – materiál obsažený v tuze od tužky. Skládá se z takových šupinek, lístků. Grafen je vlastně jeden z těch lístků. Je to jeden z nejpevnějších materiálů, který v současnosti známe a přitom nesmírně tenký, na výšku má jen jeden atom, takže je vlastně dvourozměrný.

Profesoru Otyepkovi se podařilo vytvořit celou chemii nad grafenem – našel způsob, jak ho chemicky modifikovat, jak z něj vytvořit např. grafenovou kyselinu a jiné deriváty… A časem se ukázalo, že tyto materiály mají obrovský potenciál např. v oblasti energetiky. Následovaly další a další projekty, během nichž se naši vědci věnovali zvětšení objemu výroby nově objevených materiálů z mikrogramů na stovky gramů. A ty už mohly být použity pro speciální superkondenzátory a baterie. Tím to nekončí, dostáváme se do aplikovaného výzkumu, kdy už té látky potřebujeme umět vyrobit kilogramy. Evropská unie podporuje celou kaskádu výzkumů s cílem mít na konci součástku, která půjde masově vyrábět. Na tom dnes spolupracujeme s Italy a Izraelci. Od otevření oboru grafenové chemie ušel tým profesora Otyepky za necelých deset let obrovský kus cesty.

A kolik jí ještě zbývá urazit, než se ty součástky začnou masově vyrábět?
Předpokládám, že zhruba pět let.

To zní docela konkrétně. Bude to revoluce?
Tyhle materiály zatím revoluci doopravdy slibují. Když to velice zjednoduším a přiblížím: mělo by se jednat o součástku velikosti běžné baterie, ale na rozdíl od ní se nabije velice rychle a ustojí mnohem více nabíjecích cyklů. Velice rychle energii uloží i poskytne.

Těch revolučních projektů v poměrně pokročilé fázi tu ale máte více.
To máme a jsme na to pyšní. Malá odbočka: Když se zeptáte lidí, kde vzniká největší uhlíková stopa, nejspíš vám řeknou, že v automobilovém průmyslu…

Materiály pro ukládání energie v bateriích a superkondenzátorech - výzkum prof. Otyepky.

Foto: CATRIN UP

To je asi pravda.
Ale není to tak! Víte, kde je největší zátěž pro životní prostředí? V chemickém a zejména ve farmaceutickém průmyslu! Tenhle průmysl má skutečně největší uhlíkovou stopu, protože spotřebovává obrovské, ale skutečně neskutečně obrovské množství energie, vzácných surovin i vody. A jestli je něco výzva, tak vyvinout takové materiály a technologie, které by tuto zátěž snížily. Tím se zabýváme a jsme v tom úspěšní.

Vyvíjíme tu nové katalyzátory. (Materiály, které urychlují chemickou reakci - pozn. redakce.) Katalyzátory používané např. při redukci aromatických nitrosloučenin na aminy, jejichž produkce tvoří významné procento celkového produkce farmaceutického průmyslu. Běžné katalyzátory jsou založené na vzácných kovech, jako je zlato, palladium a platina, které jsou drahé, jejich těžba je náročná a neekologická a teď jsou navíc těžce dostupné, neboť většina nalezišť se nachází v Rusku. Další nevýhodou standardních katalyzátorů je, že tyto reakce probíhají za obrovských tlaků a teplot. Právě to s sebou nese tu šílenou energetickou náročnost.

Námi vyvíjené katalyzátory jsou ale na bázi obyčejného minerálu chalkopyritu – jsou to nanomateriály, obsahující síru, železo a měď, tedy prvky, které najdeme prakticky všude. Druhá jejich krása spočívá v tom, že jsou to takzvané fotokatalyzátory, to znamená, že využívají energii ze slunečního záření. Reakce sice neprobíhá za pokojových teplot, ale přece jen jsou potřeba teploty a tlaky mnohem nižší než u současných technologií. Nese to obrovskou energetickou úsporu. Už se nám podařilo v prestižních časopisech publikovat dva slibné materiály a bavíme se s kolegy ze zahraničí o jejich praktickém využití.

Zní to fantasticky. Jak daleko je ta praktická aplikace?
V tuto chvíli týmy profesora Zbořila a profesora Bellera hledají konkrétní chemický proces i partnera pro optimalizaci. Budeme ale podobně daleko jako u těch superkondenzátorů, nějakých pět let.

V CATRIN už umí geneticky modifikovat ječmen tak, že produkuje lidský antibakteriální peptid, tedy látku, která pomáhá třeba při hojení ran.

Foto: CATRIN UP

Když jsem procházel seznam projektů, které tu probíhají, zaujal mě i jeden, který se týká ječmene. Vy ho dokážete geneticky modifikovat tak, že produkuje lidský antibakteriální peptid, tedy látku, která pomáhá třeba při hojení ran… A ječmen dokážete přinutit produkovat i jiné látky. O tom chci vědět víc!
To jste narazil na krásný případ, ve vědě celkem ojedinělý. Většinou celý ten proces probíhá tak, že vědci něco vyvinou, pak vyzkoumají, jak to vyrábět masově a když se to povede, převezmou to průmyslové firmy… Ta cesta je ale dlouhá a často skončí ve slepé uličce. U tohoto projektu to ale bylo jinak.

Na začátku byla debata s ředitelem zemědělské společnosti Úsovsko, který si řekl, že nekoupí jeden traktor, ale místo toho udělá u Mohelnice výzkumné pole. To spolu s univerzitou akredituje a budeme na něm společně něco vyvíjet. Dnes je to jediné pole pro pěstování geneticky modifikovaného ječmene v Evropě. Mít takové pole, to znamená kompletně zvládnout genetickou transformaci dané rostliny. Když to zvládnete, můžete si hrát s jejím genomem. Týmu prof. Fréborta se to podařilo. V tomto případě jsme do ječmene vložili gen právě pro lidský antibakteriální peptid, který se jinak syntetizuje a vyrábí velmi složitě. Vytvořili jsme rostlinu, která ho produkuje v obilce. Můžete ho pěstovat ve velkém na poli.

K čemu je ten peptid dobrý?
Používá se jako doplněk stravy, zabíjí bakterie a pomáhá v boji s nimi. Aplikace našeho výzkumu směřuje spíše do kosmetiky, může najít uplatnění třeba v mastech, které urychlí hojení ran.

Je to budoucnost? Budou se takto “jednoduše” vyrábět, nebo spíš pěstovat, i další potřebné látky?
Určitě je to velmi slibná cesta. Ve spolupráci s kolegy z Českých Budějovic už naši vědci pracují na ječmeni, který bude produkovat orální vakcíny pro ryby. Ty slibují velký pokrok. Když máte jednodruhový chov ryb, jsou, podobně jako třeba smrkové monokultury, náchylné na různé nemoci. A očkovat ryby je dost komplikované. Stávající praxe je taková, že malé rybičky vylovíte a píchnete jim injekci. Nebo je louhujete v nějakém roztoku. Bohužel to hodně špatně snášejí a velká část jich uhyne.

Oproti tomu my vyvíjíme vakcínu, která vyroste v ječmeni. Vy ho posekáte, vytvoříte peletky, tím nakrmíte rybičky a ony budou zdravé. Je to neinvazivní metoda. Nicméně jsme zatím spíše na začátku.

Říkal jste, že to pole u Mohelnice je jediné v Evropě, kde se dá geneticky modifikovaný ječmen pěstovat. Předpokládám, že je potřeba dost pečlivě hlídat, aby se tahle nová rostlina nedostala do volné přírody.
Je to tak. Obecně je legislativa na geneticky modifikované rostliny velice přísná. Většinou je to v pořádku a dobře, tento typ výzkumu opravdu musí podléhat velmi pečlivé kontrole. Někdy jsou však tyto regulace až zbytečně přísné. Je to v těch případech, kdy do rostliny nevnášíme žádnou cizí genetickou informaci, ale jen uměle a cíleně spustíme nějaký proces, ke kterému by mohlo dojít i běžným šlechtěním na poli. To není ničím nebezpečné a tady se snažíme působit na zmírnění pravidel, resp. jejich lepší definici, která zohlední nedávné pokroky ve vědě.

Náš ječmen je ale jiná kategorie, tady je přísnost na místě, protože tohle je už úplně nová rostlina, to už vlastně ani není ječmen. Musí být pohlídáno, jak se s tou rostlinou na poli nakládá, celý proces musí být a je přísně regulován.

Je tam riziko, že by mohl zplanět?
Přesně proto. Geneticky modifikované rostliny se do volné přírody dostat nesmí. Když ale jsou dodržena všechna opatření, tak se to nestane.


Do všeho úsilí všech vědců, lékařů, sester a dalších, kteří neúnavně bojovali s pandemií, se objeví hlasy, které začnou prohlašovat, že vám po očkování naroste chobot nebo druhá hlava. Záměrně trochu přeháním, ale to je něco, s čím v přírodních a lékařských vědách nikdo nepočítal!

Bavili jsme se o řadě projektů, které se chystají. Můžete zmínit nějaké, které tu pomyslnou cílovou pásku, tedy uvedení do praxe, už protly?
V rámci Regionálního centra pokročilých technologií a materiálů jsme připravili projekt separace laktoferinu z mléka. Laktoferin je peptid v mléce, který způsobuje to, že mláďata jsou vitální, pomáhá jim udržet imunitu. Je to úžasná věc, která se ale zlikviduje pasterizací. Rozhodli jsme se ho proto vyseparovat.

Vytáhnout ho ven a nezničit mléko…
Ano. Aby šlo použít oboje. V týmu profesora Zbořila jsme vyvinuli technologii magnetických částic, mezi kterými mléko volně proplouvá a díky jejich speciální povrchové modifikaci se na nich laktoferin před pasterizací zachytí. Před dvěma lety se toho zhostila jedna velká polská firma a je to na dobré cestě, výrobu zahajují právě v tomto roce.

A když jsme u těch dotažených projektů, nemohu nezmínit výrobu Mössbauerových spektrometrů, které jsme vyvinuli. Jsou to zařízení na analýzu látek a materiálů, které obsahují železo. Naše řešení je v mnohém inovativní, univerzita je začala prodávat po světě pro výzkum i průmysl a dostalo se to už do fáze, kdy to nebylo udržitelné, protože škola není továrna. Proto jsme v roce 2021 přistoupili k tomu, co je v zahraničí běžné: vytvořila se firma, které nyní spektrometry vyrábí. Know-how má stále univerzita a také jí z toho plynou zisky z licenčních poplatků.

Kde vidíte CATRIN za deset, patnáct let?
Naše obrovská výhoda je interdisciplinarita, už jsem to zmiňoval několikrát. Máme záběr od materiálové chemie až po medicínu a veškerou s tím spojenou synergii. Jsou to oblasti, které velice dobře odpovídají nastavení toho, co Evropské unie od výzkumu očekává. Řešíme problémy, které nás budou trápit za deset, dvacet let. Přál bych si, aby se nám podařilo interdisciplinaritu rozšířit až k sociálně-vědním a humanitním oblastem.

To jste mě trochu zaskočil…
Vysvětlím to na příkladu: Když přišla epidemie viru HIV, trvalo strašně dlouho, než se vůbec zjistilo, že je to virus. Než se ho podařilo sekvenovat, uběhly čtyři roky! V době covidu jsme měli sekvenci do měsíce! Byly připraveny technologie dnešních mRNA vakcín, vědci z celého světa se spojili, aby je dokázali využít pro imunizaci. Je to nádherná a vysoce účinná technologie vakcinace nové generace. A do toho všeho úsilí všech vědců, lékařů, sester a dalších, kteří neúnavně s touto pandemií bojovali a bojují, se vám objeví hlasy, které začnou prohlašovat, že vám po očkování naroste chobot nebo druhá hlava. Záměrně trochu přeháním, ale to je něco, s čím v přírodních a lékařských vědách nikdo nepočítal! Dodnes se k tomu neumíme postavit. Jak se bránit tomu, že vznikají iracionální a často i politicky motivované vlivy proti přijímání nových technologií a postupů, které by lidem pomohly?

Proto bychom se vedle vyvíjení nových technologií rádi podíleli i na postupech, jak je představit veřejnosti, jak je vysvětlovat a jak čelit jinak přirozeným obavám. To je obrovská výzva, které věda čelí. A kdyby CATRIN byla schopna v tom pomoci, bude to naprosto skvělé.